Etude et développement d'un logiciel d'illumination globale utilisant les fonctionnalités du RenderDrive

Le marché de l'image de synthèse prend une ampleur considérable dans le paysage socio-économique national et mondial. Ses domaines d'application sont extrêmement nombreux et variés . Citons par exemple le marché cinématographique, avec un accroissement des productions faisant appels aux effets spéciaux ou au "tout virtuel" (personnages, décors, etc.) ; le domaine des jeux vidéo, dans lesquels les concepteurs cherchent de plus en plus à présenter des décors et des personnages "réalistes" ; la simulation qui en quelques années est devenue un outil indispensable dans de nombreux domaines, tels que la simulation architecturale qui permet d'étudier un bâtiment à la fois de manière interne et dans son futur environnement avant d'en lancer la construction.

Ces quelques exemples ont tous en commun une particularité : le réalisme. Par ce mot nous entendons le besoin de générer une image dont le contenu soit, idéalement, indiscernable d'une photographie du monde réel. De nombreux aspects doivent être conciliés pour atteindre cet objectif parmi lesquels la qualité de la modélisation des objets tridimensionnels apparaissant dans la scène, le nombre et la finesse des détails apparaissant sur les objets et/ou dans la scène et enfin la qualité de l'éclairage qui est appliqué dans l'environnement simulé.

Le sujet de Recherche et développement que nous proposons dans le cadre de cette demande de bourse CIFRE est centré autour des aspects liés à l'éclairage réaliste d'une scène virtuelle. En effet, si les logiciels commerciaux actuels sont capables de proposer des solutions généralement acceptables pour une grande partie de la chaîne de conception d'une image de synthèse, ils restent très peu développés sur la partie illumination : le concepteur doit bien souvent se contenter d'un éclairage dit "local", car il ne tient pas compte des interactions lumineuses des objets entre eux, ou, dans le meilleur des cas, d'algorithmes de type "lancer de rayons", qui permettent de simuler une partie des interactions inter-objets mais qui conservent l'aspect "synthétique" aux images obtenues. La raison principale de ce manque tient au fait que l'éclairage d'un environnement réel est obtenu par combinaisons de phénomènes physiques complexes, impliquant entre autres des échanges d'énergie lumineuse entre tous les objets de l'environnement. La simulation de l'illumination globale d'une scène virtuelle fait alors appel à des algorithmes relativement lourds, particulièrement en termes de temps de calculs.

Le projet que nous proposons consiste à étudier et à développer un modèle d'illumination globale qui puisse être utilisé de manière efficace sur une architecture commerciale, dédiée au lancer de rayons (le RenderDrive). L'objectif est à terme d'obtenir, au sein de la société Naxos Images, un outil de production performant et à la pointe des techniques de synthèse d'images. Il nous apparaît en effet clairement que la demande en images utilisant ces techniques qualifiées de globales, va très nettement croître dans les années à venir. L'étude et le développement d'un outil répondant à cette demande, en étroit partenariat avec le LIL (Laboratoire d'Informatique du Littoral), correspond donc, pour Naxos Images, à une anticipation du marché de l'image de synthèse. D'autre part, ce projet correspond au premier pas vers la mise en place d'un secteur Recherche et Développement au sein de notre société : dans un marché très compétitif, nous sommes en effet conscients du fait que la mise en place d'une telle activité est cruciale pour l'avenir de nos activités.

Les algorithmes visés

Les travaux de recherche menés dans le cadre du problème de l'illumination globale, ont conduit à diverses classes d'algorithmes. Parmi celles-ci, nous nous intéressons aux méthodes dites de Monte Carlo , dans lesquelles les intégrales multiples (et théoriquement infinies) qui apparaissent dans les équations d'illumination, sont estimées par pondération d'un ensemble d'évaluations stochastiques de leurs opérandes (les valeurs d'illumination de l'ensemble des points de la scène). On distingue alors diverses approches selon le mode opératoire utilisé pour les diverses évaluations stochastiques.

Néanmoins, ces approches présentent toutes un point commun, qui correspond à l'outil de base utilisé pour effectuer une évaluation : le lancer de rayons. L'illumination d'un point (un pixel de l'image ou un point situé sur un objet de la scène virtuelle) dépend bien évidemment de l'illumination de l'ensemble des objets de la scène. Mais évaluer cette illumination en tenant compte de l'infinité de points qui composent chaque objet est évidemment impossible, d'autant que le processus est récursif… Dans le cadre des approches de Monte Carlo, le nombre d'échantillons participants à l'illumination d'un point est fixé par avance. Chaque échantillon, qui représente une direction tridimensionnelle à partir du point à illuminer, est sélectionné par un processus stochastique. Un rayon est ensuite lancé suivant cette direction, à la recherche de l'objet le plus proche qui s'y trouve et du point de cet objet situé à l'extrémité du rayon. L'illumination de ce nouveau point (éventuellement elle-même évaluée récursivement de la même manière) participera ensuite au processus d'évaluation de l'illumination du point de départ du rayon.

Au travers de cette explication très succincte et certes incomplète des approches de Monte Carlo appliquées à la résolution du problème de l'illumination globale, on voit très nettement apparaître le cœur du problème, en termes de coûts de calcul : la recherche extrêmement fréquente de l'intersection entre un rayon et les objets composants la scène. Cette fréquence est due non seulement à l'aspect récursif de ces approches, mais surtout au grand nombre d'échantillons (les rayons) à utiliser pour obtenir une estimation correcte de l'illumination. Des recherches ont été menées ces dernières années sur l'amélioration des processus de sélection des échantillons en vue de la réduction de leur nombre et, par voie de conséquence, la réduction des temps de calcul. Bien que des résultats appréciables aient été obtenus, les temps de calculs restent prohibitifs, particulièrement dans le cadre d'une utilisation industrielle.

Le renderdrive

Le renderdrive, commercialisé par la société Advanced Rendering Technology (ART), est une machine spécialisée dans la génération d'images de synthèse à partir de l'algorithme du lancer de rayons de base. Il est constitué d'un grand nombre de processeurs dédiés aux calculs d'intersection entre rayons et objets, qui représentent plus de 80% des coûts de calcul de cet algorithme ; selon le modèle utilisé, un renderdrive peut ainsi être équipé de 48 (modèle RD3000) à 128 (modèle RD5000) processeurs AR350. Il dispose d'autre part de 768 Mo de mémoire interne et 7 Go de mémoire de texture sur disque.

Des tests effectués au sein de Naxos Images permettent d'estimer que le modèle RD5000 est capable d'effectuer le rendu d'une image 60 fois plus rapidement qu'une machine de type PC, équipée d'un processeur AMD 1 GHz et de 1 Go de mémoire centrale.

Notons enfin que Naxos Images est actuellement équipée de 2 renderdrive : un RD3000 et un RD5000 et que notre société dispose de liens privilégiés avec ART.

Le sujet

Le travail de recherche et développement que nous souhaitons voir effectuer dans le cadre de cette thèse correspond à la mise en place d'une solution performante au problème de l'illumination globale via le renderdrive. Les deux aspects complémentaires que nous venons de développer, à savoir :

• l'utilisation du lancer de rayons comme outil de base des méthodes de Monte Carlo appliquées à l'illumination globale ;
• la spécificité du renderdrive dans son traitement efficace des calculs d'intersection apparaissant dans ce type d'algorithme , nous autorisent en effet à penser qu'il est tout à fait opportun d'utiliser cette architecture pour accélérer les méthodes d'illumination globale.

Le travail consistera donc à étudier les aspects techniques liés à la mise en place d'une telle approche. Il sera ainsi nécessaire d'étudier très précisément les caractéristiques techniques du renderdrive et les moyens existant pour le pilotage logiciel de cette machine. D'autre part, les solutions proposées ces dernières années dans le cadre des approches de Monte Carlo devront être étudiées de manière exhaustive, afin d'en dégager les aspects utilisables par le renderdrive et de pouvoir mettre en place une solution adaptée à cette architecture. Enfin, dans le cadre de l'unification des outils utilisés par Naxos Images, l'ensemble du logiciel d'illumination globale qui sera développé dans le cadre de cette thèse devra être intégré, sous forme de "plug-in" au logiciel Maya, commercialisé par la société Alias/WaveFront.

Le plan de travail

Compte tenu des différents aspects liés au sujet proposé dans le cadre de cette thèse, nous pouvons envisager une succession de travaux relativement bien identifiés :

• Une étude bibliographique approfondie concernant les différentes approches envisageables dans le cadre des méthodes de Monte Carlo appliquées à l'illumination globale. Cette partie du travail sera effectuée en étroite collaboration avec les chercheurs en synthèse d'images attachés au Laboratoire d'Informatique du Littoral (Calais) ;
• Une étude des caractéristiques techniques du renderdrive, en tirant partie des relations privilégiées que Naxos Images a tissé avec la société ART ;
• La recherche et la mise au point d'un algorithme d'illumination globale compatible avec le renderdrive. Cette étape sera à nouveau réalisée avec l'aide et les compétences des chercheurs du LIL ;
• Le développement et la validation de cet algorithme sous la forme d'un "plug-in" du logiciel Maya. La validation sera envisagée à la fois sous l'aspect de la précision des résultats obtenus et de l'étendue des phénomènes physiques pris en compte, mais aussi en terme d'ergonomie et de facilité d'utilisation par des utilisateurs non informaticiens.

Notons enfin que cette proposition de sujet de thèse fait suite à une collaboration effective entre Naxos Images et les chercheurs en synthèse d'images du LIL ; cette collaboration, entamée depuis près de 2 ans, a ainsi donné lieu au développement d'un prototype de logiciel de radiosité hiérarchique, dont la mise au point sera terminée dans le courant de l'année 2002.